EMC改善技巧(一)

在电路设计与PCB布板中,我们常常因为EMC问题反复整改,有可能整个板子都要重新设计。在设计前期如果有问题损失成本和时间较少,在设计后期或已经小批量损失的成本将成倍增长。良好的布局不会增加成本,反而会节省滤波器、屏蔽、PCB板等成本以及EMC测试时间。下面和大家分享一些EMC的一些改善技巧,以及比较容易上手的产品及方案。

一、 EMC基础

(1).EMI,全称为:Electromagnetic Interference,即电磁干扰,指电子设备在自身工作过程中产生的电磁波,对外发射并对设备其它部分或外部其它设备造成干扰。

(2).EMS,全称为:Electromagnetic Susceptibility,即电磁敏感度,指电子设备受电磁干扰的敏感程度。

(3).EMC,全称为:Electromagnetic Compatibility,即电磁兼容性,要求电源模块等电子设备内部没有严重的干扰源及设备,或电源系统有较好的抗干扰能力。

干扰源通过,导体,电场,磁场,高频辐射来影响系统的稳定性。

干扰源:

  • l 高频开关电源
  • l 射频设备
  • l 闪电,雷击,雷爆。
  • l 高压传输线

传输路径

  • l 导体:电源,大地,导线的串扰。
  • l 电场:寄生电容
  • l 磁场:寄生电感
  • l 辐射:高频,

易受影响的系统

  • l 数字系统:MCU,复位电路,逻辑电路
  • l 低压小信号传感器
  • l 收发器

二、 下面介绍一下布局要点及应用实例

(图1)

  • 如(图1)当开关管在切换时,红色环路切换到蓝色环路时,绿色环路会有很高的电流跳变,当绿色环路面积比较大时会产生比较大的寄生电感,电流在这个电感中是没有办法突变的,电流就会在这个电感上产生很高的电压尖峰,这些尖峰就会施加在这个开关管上,这样就会增加开关管被击穿的风险,同时也会向周边耦合一些噪声影响周边电路的正常运行。
  • (图1)中绿色环路的电流为最高的EMI环路,绿色环路也被称为热环路,他具有最高的电流和EMI能量,如果要减小EMI提高性能,需要减少绿色环路的面积。使用用多层板增加屏蔽层,减少走线距离,可以减少热环路EMI噪声。

下面我们看一下XXX转换器。

(图2)

(图3)

  • (图2)绿环路是顶层的热回路。电流流经输入电容和开关部件。
  • 从(图3)可以看出,缩减电容两脚的间距减少热回路,我们可以通过用两颗电容替换一颗大容或者使用大容量小体积的电容,这样距离会更近些,内阻也会更小。
  • 从EMI的角度看,热环路越小越好,所以内置同步开关的控制器方案优于外置肖特基二极管或MOSFET的方案。

功率元件布局要点

BUCK(图4)

(图5)

(图4)中buck当开关管QT导通,QB关断时的电流走的是红色路径,当开关管QT关断,QB导通电流走蓝色路径。所以他的热回路就在两个开关管和输入电容之间如(图5)a所示。从图中可以看出这个热回路会引起一个震荡。在布PCB板时要注意,必须要在两个开关管之间放一个0.1uf~10uf陶瓷电容,尽量让两个开关管与这个电容在板子上形成的回路最小。

BOOST(图6)

(图7)

(图6)中当开关管开通时电流走蓝色环路流经开关管。当开关管关断时,电流走红色环路流经二极管。和BUCK一样布局走线时开关管、二极管、输出电容形成的回路越小越好。

(图8)

在布PCB板时我们常用的一个设置就是覆铜,如(图8)a中它是一个软件默认的设置,这种设置为了防止PCB板在焊接时,因散热过快,而导致虚焊,这种现象在开关电源中是不希望被看到的,因为开关电源的电流通常较大。而且(图8)a中那种导线连接方式可能会导致串扰。同时完全覆盖这种方式也有助于散热,减小导线的阻抗如(图8)a所示。

(图9)

如(图9)左边是一个不好的布局。因为DC/DC#1、DC/DC#2、输入电源同时共用一个电源地,这就会导致当输入电源、DC/DC#1、DC/DC#2任何一个电源有干扰时其他几个电源都会有影响,而且DC/DC#1、DC/DC#2输入端都没有去耦电容,这就有可能导致输出会有一定的尖峰。正确的做法如(图9)左边这幅图所示。

(图10)

门极驱动的环路一定要小,如果过大就会产生一个比较大的电感,从而产生震荡,而且这个震荡会被MOSFET放大。所以门极驱动与地的环路尽量要小,尽量采用差分走线。

(图11)

(图11)中电流采样单路要使用差分走线,不要使用单端走线,单端走线容易产生比较大的寄生电感。

(图12)

在开关电源布PCB板时需要将功率地与信号地隔离或者采用单点接地

的方式连接这种方式用的也相对较多,连接方式如(图12)所示。如果不采用单点接地或者隔离的方式连接,采用大面积覆铜的方式,那么功率地上存在的一些大的浪涌会直接影响到信号基准有可能会造成整个系统不稳。

三、 电源PCB布局的一些总结和建议

  1. 数字地模拟地分离,电源地和信号地分离。信号地与电源地采用单点接地连接。
  2. 原理图中大电流走线特殊标注,方便画板工程师布线。
  3. 控制电路的放置位置:1.远离开关电源2.降压控制靠近输出侧3.升压电路靠近输入侧。如果空间允许,将控制远离电感及开关元件,如果空间受限制,必须将控制器的地与功率元件的地隔离开
  4. 如果数字芯片和模拟芯片有单独的信号和电源地,应单独走线。
  5. PCB为了更好的散热,GND区域应多放过孔。
  6. 开关器件远离敏感小信号走线,如果是多层板,可以走不同层,用内部接地,屏蔽噪声。
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